比较器是一种得到广泛使用的电路元件。比较器具有外部滞后、锁存、灵活的电源电压和输出配置等多项功能和特性。在许多情况下，如方脉冲整形电路中，电压比较的精度不是很关键，电压值可以在几百毫伏范围内变化而不影响电路性能。此外，对比较器的传播延迟、消散、触发率或精准失调等关键参数可以满足一系列高性能应用的需求，例如电平平移、电源监测、时钟／数据缓冲以及接收和触发等。虽然运算放大器也可用作比较器，但在应用时需要加倍小心才能确保器件的正常工作。然而，也有许多应用要求非常精确的比较电压，而且这些电压要求具有很小的漂移，不会与迟滞电路发生交互影响。
值此本文将对比较器IC特征与选择及其应用作说明。
1、比较器技术特征
1.1比较器基本程式
是一种高增益放大器，可以放大输入端很小的差分信号，并驱动输出端切换到两个输出状态中的一个。图l是基本的比较器基本电路，包括同相、反相比较器，见图l(a)。输入信号Vin与门限电压VTH进行比较，输出端根据输入信号是小于还是大于VTH而改变其状态。
图l(a)
在图l(b)中给出了比较器电路的转换函数。同相比较器被定义为在输入信号大于门限电压时输出为正的比较器，而反相比较器被定义为输入信号大于门限电压时输出为负的比较器。
图l(b)
比较器的增益决定了将输出驱动到高或低输出状态所要求的差分输入电压。例如，如果比较器的增益为80dB，即10，000倍，并且供电电压为5V，那么把输出驱动为高或低状态所需的输入差分电压只需0.5mV。这种情况下，很容易因为信号上或者比较电压VTH上的噪声而在比较器输出端产生多次状态变化的问题。
1.2比较器功能
比较器IC可视为特殊的运算放大器，设计用于比较两个输入电压，并提供逻辑状态输出。比较器也可看作一位的模拟—数字转换器。比较器产品库囊括各种具有不同性能特征，包括快速(纳秒级)响应时间、宽输入电压范围、极低静态电流损耗的产品。
比较器其实可看成一个能够作逻辑“决策”的逻辑输出电路。换句话说，它可把输入信号与已定义的参考电平进行比较。比较器的逻辑输出功能可以帮助用户设计具有多样化的额外功能的模拟电路。而且，无论是高速ADC、SAR型ADC还是Sigma-DeltaADC，比较器都是组建集成ADC的内部基本而又关键的模块。
由此它可构建的一些可应用电路，值此以比较器LM339型为例，它可构建逻辑电平平移、过零检测／触发电路、电压信号／电源电压监察、Window比较器、施密特触发器、振荡器、时钟缓冲器及互导放大器等不同类型的应用电路。
比较器一般都以参数值和／或功能来分类，例如：通用比较器；高速比较器(传播延迟少于50毫微秒)；低压比较器(电源电压VCC低于5V)；微功率比较器(静态电流低于20微安)，集成参考的比较器。
比较器和运算放大器之间最基本的区别就是它们具有不同的输出级结构，比较器通常都不进行频率补偿功能，因此其工作速度相当高，同时开关时间也在某程度上取决于“过驱”的程度。一般来说，若是需求高速的响应时间，则宜采用比较器。
1.3比较器基本特征
输出拓扑结构：开路集电极——开路集电极通过上拉电阻器与逻辑电源相连。并允许比较器与各种逻辑器件系列相连接。推挽式——推挽式操作不需要上拉电阻器。由于输出在轨至轨之间摆动，因此，逻辑电平取决于比较器的电源电压。
响应时间(传播延迟)——要求“近实时”信号响应的应用应考虑采用具有纳秒(ns)级传播延迟的比较器。随着传播延迟的缩短，供电电流将增加。应对自己希望获得的性能与可承受的功耗之间的折衷方案进行评估。如TLV349x系列提供了速度／功耗的独特组合，静态电流为1μA时传播延迟仅有5μs。
比较器和运算放大器的组合——用于要求在比较器之前实现DC电平切换和／或增益的输入信号，应考虑TLV230x(漏极开路型)或TLV270x(推挽式)运算放大器与比较器的组合。这些双功能器件能够为您节省占用空间和成本。
比较器和电压基准——典型的比较器需要与一个基准电压来进行比较。TLV3011则是采用空间节省型SC70封装的比较器和电压基准组合式IC。
2、比较器选择与应用举例
2.1带集成电压基准的低功耗比较器TLV3011、TLV3012
TLV3011具有低功耗、漏极开路输出比较器。TLV3012是推挽式输出比较，集成1.242V串联电压基准，拥有100ppm/℃(最大值)的低漂移，可在采用高达10nF容性负别的情况下保持稳定，并能是供高达0.5mA(典型值)的输出电流。图2为TLV3011用于为MSP430复位捉提供信号应用示意图。
图2
TLV3011主要特点：比较器附带电压基准，漏极开路(open—drain)输出；而TLV3012为推挽(Push-pull)输出；集成电压基准为1.2V；初始精度为1％，温度漂移为40ppm／℃；低静态电流5uA(最大值)；宽输入共模范围，即越轨为200mV；传播延迟为6μs；超低电压运转1.8V至5.5V；封装模式为SC—70封装及SOT23封装。
TLV3011可在电池电压监控、电源良好指示功能、小信号／电压检测及弛张振荡器。
2.2 SOT-23-5封装形式的低功耗比较器(600nA@土.6V)
如Microchip的推挽式漏极开路比较器系列MCP6541／2／3／4和MCP6546／7／8／9是专为极低功耗的单电源应用而设计的。这些器件可在供电电压低至1.6V的条件下正常工作，汲取的电流为600 nA(典型值)。这些低功耗比较器系列的典型传输延时为4 μS。
MCP6546系列的漏极开路输出可用作电平转换器，通过使用上拉电阻将电压提高到最多l0V。也可将它用作线或逻辑。内部输入迟滞电压消除了由内部噪声电压引起的输出翻转，降低了电流消耗。图3为MCP6041放大器与MC P6541比较器应用于低功耗传感器解决方案中的应用示意图。
图3
MCP654X的主要特性：低静态电流：600nA／比较器(典型值)；轨至轨输入：Vss-0.3V至VDD+0.3V兼容CMOS／TTL的输出；推挽和漏极开路输出；传输延时4 μS(典型值)；宽供电电压范围：6V至5.5V提供单比较器、双比较器和四比较器形式；MCP6543和MCP6548带有片选(CS)线；低开关电流与内部迟滞电压3.3mV(典型值)。
MCP6541和MCP6546可在便携式计算机、移动电话、计量系统、手持式电子设备、RC定时器、报警和监控电路与窗口比较器及多谐振荡器上应用。
*SOT23封装、高速比较器TLV3501
TLV3501高速比较器采用了小型化SOT23封装模式。适用于各种应用，TLV3501拥有与功耗相关的快速响应性能。此器件额定工作于-40℃至+125℃的扩展温度范围。主要特点：高速，20mV超速运转(overdrive)时响应时间为4.5ns；越轨共模态输入范围；轨至轨、推挽输出；单电源运转2.7V~5.5V；封装模式为SOT23封装。
TLV3501可在测试与测量电源监测及基站上应用。
2.3现代高速比较器及应用
现今业界常用比较器大多数是经过优化设计的，可为系统带来增值效益。最普遍的比较器应用类别是电平平移。现今，TTL和CMOS逻辑电平均已被广泛采用。对于高速应用而言，还可采用ECL(发射极耦合逻辑)、RSPECL(摆幅削减正发射极耦合逻辑)或LVDS(低压差分信号)。当需要从电缆和线路连接和FPGA，或在背板内的信号速度处于由每秒数百兆位至数千兆位的高速范围时，上述方案便会成为首选。LMH7220~ULMH7322便是可用作为高速／超高速电平比较变换的高速比较器件。图4表示出一个LMH7322双高速比较器应用示意图。
图4
并且以ECL变换到RSPECL的转换器方式实现。ECL高速逻辑已经沿用了很多年，尤其是供军事或测量用以及工业用的高档设置，而且它们属于负电压电平参考信号(-5.2V接地)，难以连接到其它分离电源或单电源系统。幸而，LMH7322不单可有效解决上述的问题，与此同时比较起一般的逻辑电平移位器，它可提供给设计人员更大的自由度。该比较器在输入和输出电路上拥有不同的电源引脚，而其电源可以是由2.7V~12V的单一电源，又或是由±6V至±1.35V的分离电源。器件在输入时的共模范围可超出最低的电源电平200mV，从而令能在如此低的输入信号电平下感测到细微的信号。在高边上，共模范围受到1.5V的VCCI的限制，但需配合2.7V的VCCI和VCCO，还是有可能在输出上提供PECL逻辑电平。
2.4集成式高精度电压参考的微功率比较器
一般比较器都有约10mV或更大的输入失调电压。精度型比较器的优点很明显，因为它可比较微弱信号。迄今为止，仍有人采用运算放大器作为比较器，就是因为一般的比较器不具有足够的精度。在电池电量监测应用中，当充电／放电的电压梯度相对平坦时，便可采用这些参数。其他特色功能包括低功耗、高精度，及可调整的检测阈值。图5是采用LMP7300的电池电压监视器，该器件具有集成式高精度电压参考的微功率比较器。
图5
该电路的电池泄漏电流极小，典型为10μA的典型静态电流，并且拥有2.5V至12V的宽阔电压范围，它可在高边(电源线路)感应电流和具备有一个2.048V 55ppm的电压参考和通过两根引脚完成的可调节滞后。开漏输出能够驱动一个LED或触发一个微控制器的输入逻辑引脚。在图5中，R1和R2会为达到低的静态电流而设置成高阻抗。190Ω和5μF的RC组合对于缓冲参考是很重要，因为这组合具有大约lmA的负载驱动能力和它可改善线路的调节能力。
2.5跳变点温度开关的温度控制
ADT6501/02/03和ADT6504都是采用5引脚的SOT—23封装出厂设置跳变点温度开关。当温度超过跳变点设定值时，启动逻辑输出。而ADT6501和ADT6503提供漏极开路驱动低电平有效逻辑输出，它可用于微处理器的复位控制。ADT6502和ADT6504提供推拉式驱动高电平有效逻辑输出，例如，当温度过高时它可用来接通风扇。图6为用ADT6502在与微控制器连接应用于温度控制示意图，其特点是独立于微控制器的温度控制。
图6
出厂设置为10℃温度滞后，用于低温阈值模式(ADT6503和ADT6504)的启动温度范围为—45℃～+15℃；用于高温阈值模式(ADT6501和ADT6502)的启动温度范围为+35℃—+115℃范围。这些器件无需外部元件并且通常仅消耗30 μA的电源电流。
ADT65xx系列的主要特点：典型精度为±0.5℃，-55℃-+125℃范围；温度分辨率0.0625℃(12bit)；电源电压为2.7V-5.5V；电源电流为30μA 。
ADT65xx系列跳变点温度开关可在过温度安全保护电路、温度警报、简单的风扇控制器及投影仪或打印机军等设备上应用。
3、模拟电流并联监视器特征与应用
电流并联监视器是一类独特的高共模态电压差分放大器，支持单个低压电源供电运作。电流并联监视器拥有与电源电压相独立的共模电压范围(与经典的差分放大器相反，经典的差分放大器所允许的共模态电压范围须与电源电压成比例)。也与大多数的共模电压差分放大器不同，电流感应并联监视器对所感应的低差分电因50-100mV)有更高的增益作用。
电流测量可在低侧(接地端)或高侧(电源端)任意选择。低侧测量简单，且不需特定组件，但通常因为干扰地或需要附加导线而无法实现。电流并联监视器着眼于使高侧电流测量变得简单易行。但高侧电流测量的离散解决方案仍然难于实现且昂贵。
*关于电流输出与电压输出比较
类方法是通过输出类型进行分类。 电流输出系列允许通过选择外置负载电阻值来实现增益设定。速度最快的电流并联监视器是lNAl39及NAl69。NAl 70则唯一的提供了双向电流输出，此电流输出器件能承受的共模态电压为最低+2.7V，最高+75V。电压输出电流并联监视器拥有缓冲电压输出的优点，在很多应用中免除了附加运算放大器的需要。此类器件可选择20、50及100的固定增益值。电压输出的电流并联监视器(1NAl93—INAl98)都支持—16V~+80V的共模电压范围。
3.1 -16V至+80V电流测量监视器INAl9x系列
INAl9x电压输出高侧电流并联监视器拥有-16V~+80V的共模态电压范围特性，使得器件能经受住诸如短路及反向电压的错误(此类需求典型的出现在车载应用中)。INAl9x系列可选20V／V、50V／V及100V／V三种不同的增益，拥有灵活的性能并采用SOT23封装。
主要特点：共模电压范围—16V~+80V；额定电压范围2.7V至18V；三种增益设定20V／V、50V／V、100V／V；额定工作温度范围(-40℃至+125℃)内误差为3％(最大值)；带宽500kHz；静态电流700μA；封装模式SOT23封装。
INAl9x可在错误检测、电源供电、电机控制、工业自动化、“白色”家电、测试及测量、车载系统及电量计与反向电流测量上应用。
3.2 INAl9x应用于双向电流并联监删适合高电压环境的低成本、高精度、电流检测监视器
AD8212电流检测监视器非常适合在高其模电压环境下需要低成本高性能精密电流检测解决方案的应用。该器件提供电流输出，允许使用一只廉价的外部PNP三极管能够耐受高达几百伏的共模电压。其独特的内部电流补偿电路可在整个共模电压范围和-40℃—+125℃温度范围确保小于3％的总输出误差。AD8212独特的“自偏置”体系结构允许直接利用系统的共模电压直接对它供电。一旦7 V或者更高的电压施加到AD8272的输入端，则串行稳压器导通，为内部电路提供稳定的5 V电压。AD8212采用8引脚MSOP封装。图7为AD8212电流检测监视器应用示意图。
图7
AD8212可在电机控制、油电混合汽车电池监视器和驱动器、电源和变换器、电池充电器与航空控制电子设备上应用。
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